邱偉維，徐迪，蔡鵬

（交通運輸部水運科學(xué)研究所，北京 100088）

我國內(nèi)河水運是綜合運輸體系和水資源綜合利用的重要組成部分，隨著近幾年內(nèi)河航道、港口設(shè)施建設(shè)等取得了顯著成績，內(nèi)河水運市場日趨活躍，貨運量持續(xù)增長，2021年我國內(nèi)河航道通航里程12.76 萬公里，內(nèi)河港口生產(chǎn)用碼頭泊位15448 個，完成55.73 億噸吞吐量。為進一步推動內(nèi)河港口發(fā)展，完善相關(guān)領(lǐng)域研究基礎(chǔ)，構(gòu)建一套合理、有效的港口間測量方法，形成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫成為了亟待研究的問題。本文依托遙感影像、水資源地理數(shù)據(jù)等，運用數(shù)字影像測量技術(shù)，通過對相關(guān)數(shù)據(jù)的深度分析與挖掘，建立了內(nèi)河港口間距離測量方法，初步形成了我國內(nèi)河港口間距離數(shù)據(jù)庫，為行業(yè)管理部門和相關(guān)領(lǐng)域研究提供了必要的技術(shù)支撐與參考。

1 我國內(nèi)河港口間測距研究現(xiàn)狀

內(nèi)河港口間測距工作是一項十分重要的基礎(chǔ)性工作，其對管理、維護航道和進行內(nèi)河港口發(fā)展分析有著重要的作用。近年來，國內(nèi)的專家學(xué)者對這方面進行了一系列相關(guān)研究。在航道測量方法方面，沈繼青等（2016）對內(nèi)河航道的測量方法與技術(shù)進行了總結(jié)與歸納，并簡要探討了機載激光測深技術(shù)等現(xiàn)代航道測距的應(yīng)用和未來發(fā)展。陶林（2019）針對航道測距技術(shù)的發(fā)展歷史進行了闡述，并對定位技術(shù)和測深技術(shù)的應(yīng)用方法和優(yōu)缺點等進行了分析。在航道定位工具方面，高波（2020）認為航道測量精度是尤為重要的，而GPS 的應(yīng)用能夠保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、時效性，是航道測量的重要工具。石江斌以某運河為例進行了實證分析，認為利用GPS能夠產(chǎn)生較高地經(jīng)濟效益和社會效益，此外研究從GPS測量航道的方法、注意事項、優(yōu)缺點等方面也進行了詳細分析。李樹兵等人通過分析北斗在港口航道測量中的應(yīng)用，驗證了其在航道測繪中的有效性，并認為北斗地基增強系統(tǒng)填補了我國對于港口航道測量中民用高精度工具的空白。在新技術(shù)新裝備方面，梁達煒等（2021）總結(jié)了近年來對長江航道進行測量的相關(guān)技術(shù)方法，并著重研討了新一代技術(shù)與設(shè)備在航道測量中的應(yīng)用，如多波束測深系統(tǒng)、激光掃描測量系統(tǒng)、無人機航測系統(tǒng)等。盧自來和朱云權(quán)（2022）認為山區(qū)河流航道的測量難度大、危險性高，且人為測量不能保證測量的精度和準(zhǔn)度，通過應(yīng)用無人船進行水深及斷面流量測量并與傳統(tǒng)方法互相校驗，認為使用無人船測量的精度更高，應(yīng)大力發(fā)展此技術(shù)。余必秀等（2019）對無人航道測量路線規(guī)劃進行了研究，在保證數(shù)據(jù)有效性的基礎(chǔ)上，通過改進算法使得無人航道測量船能在躲避障礙后更快返回測量航道中。簡波等（2022）對利用基于連續(xù)運行參考站（CORS）的PPK 技術(shù)對地形復(fù)雜等長江航道進行測量，結(jié)果表明，定位平面精度表現(xiàn)良好，但高程精度有待進一步提升。綜上來看，國內(nèi)研究主要集中于航道的測深、定位、繪制、測量工具的精準(zhǔn)度等較為細分領(lǐng)域的研究，而全面、系統(tǒng)地對我國內(nèi)河港口間進行測距的研究相對較少。

2 測距方法概述

2.1 傳統(tǒng)測距方法

傳統(tǒng)的測距方法主要包括航空攝影、相片控制測量、野外調(diào)繪、經(jīng)緯儀極坐標(biāo)法等。這種類型的測距方法主要依托測繪學(xué)，通過全數(shù)字攝影測量等方法進行測量，對航攝的質(zhì)量有著較高的要求。該方法數(shù)據(jù)顆粒度小、質(zhì)量較高，與實際情況較為相符，但需要投入大量專業(yè)人士進行長時間的測繪工作，周期長且人力、物力的耗費巨大。

2.2 數(shù)字影像測距方法

數(shù)字影像測量是基于現(xiàn)代信息技術(shù)，通過計算機技術(shù)，運用機器學(xué)習(xí)、模式識別、智能影像處理等方法將遙感影像、地形圖數(shù)據(jù)等數(shù)字化，以數(shù)字方式表達幾何與物理信息。這種方法測量速度快、周期短、精度清晰、及時性較強等優(yōu)勢，能有效提升測量效率、精準(zhǔn)性，降低成本。

2.3 基于新技術(shù)、新設(shè)備的測距方法

由于傳統(tǒng)方法有著較多的限值且大多依靠人工測量，不僅危險性較大，且易受外界環(huán)境影響。因此，隨著新一代信息技術(shù)的發(fā)展，無人船舶等新技術(shù)新設(shè)備逐漸應(yīng)用于航道測距。無人船舶測距主要利用智能導(dǎo)航技術(shù)、自動避障、定位技術(shù)等，對目標(biāo)區(qū)域的流速、位置、水深等參數(shù)進行快速準(zhǔn)確地測量采集，適用范圍較廣、效率較高、安全隱患較低，且可嚴(yán)格按照航線航向避免重復(fù)測量，有著較高的經(jīng)濟效益和社會效益。船舶自動識別系統(tǒng)（Automatic Identification System，簡稱AIS）通過將電子海圖相關(guān)航線、航向進行可視化，形成船舶運動軌跡數(shù)據(jù)庫，從而進行港口間距離測量。該方法精度和自動化程度較高、外界影響較小，但現(xiàn)階段內(nèi)河船舶AIS 數(shù)據(jù)質(zhì)量無法滿足測距要求。

表1 測距方法比較

3 我國內(nèi)河港口間測距方法

3.1 測距方法

步驟一：將港口通過近鄰算法投影到航道上。由于我國內(nèi)河港口存在多個港區(qū)、泊位，在測距過程中，將數(shù)據(jù)顆粒密度設(shè)置為港區(qū)間距離，港區(qū)的位置通過該港區(qū)多泊位位置重心確定，之后依據(jù)臨近歸屬原則，設(shè)定臨近距離（2 公里），將港區(qū)點投影到最近的航道上。

圖1 近鄰算法示意圖

步驟二：對遙感衛(wèi)星圖片進行數(shù)字化處理，運用圖像自動識別技術(shù)結(jié)合各省份航道數(shù)據(jù)形成航道數(shù)據(jù)庫，以圖論理論為基礎(chǔ)，構(gòu)建以港區(qū)點、航道數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)分析數(shù)據(jù)集。

圖2 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓撲數(shù)據(jù)集示意圖（珠江區(qū)域）

步驟三：檢查拓撲關(guān)系，將出現(xiàn)的航道斷點問題、水網(wǎng)交叉問題、湖區(qū)航道確定問題及不同航道接駁問題等，以國家基礎(chǔ)地理信息中心標(biāo)準(zhǔn)百萬比例尺雙線河和湖泊數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用自動捕捉（線延伸到位于懸掛長度容差距離范圍內(nèi)的某個交點）和人工輔助連接兩種方法，對數(shù)據(jù)進行標(biāo)注，修正航道數(shù)據(jù)庫。

圖3 導(dǎo)致拓撲關(guān)系出現(xiàn)錯誤的問題示意圖

步驟四：重新建立數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖，以距離為阻抗成本，以港區(qū)點為起訖點，以航道為通行節(jié)點，采用經(jīng)典的Dijkstra 最短路徑算法，得到我國內(nèi)河港口間距離矩陣。

3.2 數(shù)據(jù)說明

從數(shù)據(jù)的權(quán)威性和可靠性考慮，本文選取國家基礎(chǔ)地理信息中心標(biāo)準(zhǔn)百萬比例尺河流數(shù)據(jù)。首先，該數(shù)據(jù)來源權(quán)威、可靠，河流之間連通關(guān)系準(zhǔn)確與否有保證。其次，同級別河流之間分支、各河流分支之間關(guān)系明晰，并且滿足數(shù)據(jù)依比例尺繪制的特性。以其為參考修改航道間的聯(lián)通關(guān)系可以滿足測距要求。

4 實證分析

4.1 樣本選取

考慮到數(shù)據(jù)完整性和數(shù)據(jù)全面性等因素，本文共選取了21 個省份，287 個內(nèi)河港口，521 個港區(qū)作為測距樣本。

圖4 各省份測距港口樣本數(shù)分布圖

4.2 結(jié)果分析

構(gòu)建以521 個港區(qū)點及航道數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)分析數(shù)據(jù)集，得到港區(qū)間距離矩陣，而后根據(jù)重心法得到各港口間的距離矩陣。

將測距結(jié)果與2017年發(fā)布的全國內(nèi)河高等級航道布局方案表中航道實際里程進行對比，最大誤差不超過3%，測量結(jié)果質(zhì)量較高，誤差在可接受范圍內(nèi)。

表2 測距數(shù)據(jù)與航道實際距離對比表

5 總結(jié)

內(nèi)河港口間距離測量工作對推動內(nèi)河相關(guān)領(lǐng)域起著重要作用。本文運用數(shù)字影像測量技術(shù)，提出了內(nèi)河港口間距離測量方法。初步形成了我國內(nèi)河港口間的距離數(shù)據(jù)庫，將測距結(jié)果與實際數(shù)據(jù)相比，誤差較小，方法切實可行，能夠為相關(guān)領(lǐng)域研究提供參考。